JP2015137211A - Hydrogen generation apparatus and method for operating the same, and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素生成装置及びその運転方法、水素生成装置を備えた燃料電池システムに関する。より詳細には、水添脱硫器を備えた、水素生成装置及びその運転方法、かかる水素生成装置を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen generator, an operation method thereof, and a fuel cell system including the hydrogen generator. More specifically, the present invention relates to a hydrogen generator equipped with a hydrodesulfurizer, a method for operating the hydrogen generator, and a fuel cell system including the hydrogen generator.
特許文献1は、原燃料供給路を通して供給される炭化水素を含む原燃料の脱硫処理を行う脱硫器と、水蒸気の存在下で脱硫処理後の原燃料の改質反応を行って、水素含有ガスを生成する改質器と、改質器から水素含有ガス供給路を通して供給される水素含有ガスを用いて発電反応を行う燃料電池セル部と、水素含有ガス供給路の途中と原燃料供給路の途中とを接続して改質器で生成された水素含有ガスの一部を原燃料供給路に流入させるリサイクルガス供給路とを備え、さらに、該リサイクルガス供給路を通過する水素含有ガスの一部に含まれる水分を凝縮する凝縮器と、当該凝縮器で凝縮された凝縮水を排出する排出器とをリサイクルガス供給路の途中に備える、固体酸化物形燃料電池システムを開示する(請求項2)。かかる構成では、原燃料に添加される水素含有ガスから水分を有効に除去でき、原燃料供給路への水分の混入及び昇圧手段への水分の混入を防止できる旨の記載がある(段落0009)。
従来の固体酸化物形燃料電池システムでは、原燃料に添加される水素含有ガスの温度が変動した場合の影響が十分に評価されていなかった。 In the conventional solid oxide fuel cell system, the influence when the temperature of the hydrogen-containing gas added to the raw fuel fluctuates has not been sufficiently evaluated.
本発明は、上記従来の課題に対応するもので、水素生成装置及びこれを備える燃料電池システムにおいて、水添脱硫器へとリサイクルされる水素含有ガスの温度変動がもたらす悪影響を低減することを目的とする。 The present invention addresses the above-described conventional problems, and aims to reduce adverse effects caused by temperature fluctuations of a hydrogen-containing gas recycled to a hydrodesulfurizer in a hydrogen generator and a fuel cell system including the hydrogen generator. And
本発明の水素生成装置の運転方法の一態様(aspect)は、水添脱硫器により、原料中の硫黄化合物を除去するステップと、改質器により、水蒸気及び前記水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成するステップと、前記水素含有ガスの一部をリサイクルして水添脱硫器に供給するための流路をリサイクル流路とするとき、前記リサイクル流路に流入する前の水素含有ガス及び前記リサイクル流路に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方が冷却されて、水素含有ガス中から生成した凝縮水を気液分離するステップと、前記気液分離するステップを経た水素含有ガスの温度が低下すると、前記改質器への原料供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップ、及び前記水素含有ガスのうち前記リサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を低下させるステップの少なくともいずれか一つと、を備える。 One aspect of the operation method of the hydrogen generator of the present invention is a step of removing sulfur compounds in a raw material by a hydrodesulfurizer, and a steam and the hydrodesulfurizer are supplied by a reformer. When a flow path for generating a hydrogen-containing gas using a raw material and a flow path for recycling a part of the hydrogen-containing gas and supplying it to the hydrodesulfurizer is used as a recycle flow path, the flow into the recycle flow path At least one of the previous hydrogen-containing gas and the hydrogen-containing gas after flowing into the recycle channel is cooled, and the condensed water generated from the hydrogen-containing gas is separated into gas and liquid, and the gas and liquid are separated. When the temperature of the hydrogen-containing gas that has undergone the step decreases, the ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the reformer with respect to the raw material supply amount to the reformer is increased; and Comprising the at least one of steps to reduce the ratio of hydrogen-containing gas flowing into the recycle flow path of the gas.
本発明の水素生成装置の一態様(aspect)は、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水蒸気及び前記水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器から排出される前記水素含有ガスの一部をリサイクルして前記水添脱硫器に供給するためのリサイクル流路と、前記リサイクル流路に流入する前の水素含有ガス及び前記リサイクル流路に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方を冷却し、水素含有ガス中の水分を凝縮分離する気液分離器と、前記改質器への水素含有ガス供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率を調整するガス供給量比調整器と、前記気液分離器を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、前記改質器への水素含有ガス供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率が増加するよう、前記ガス供給量比調整器を制御する制御器と、を備える。 One aspect of the hydrogen generator of the present invention is an improved hydrodesulfurizer that removes sulfur compounds in a raw material, and a hydrogen-containing gas that is generated using steam and the raw material supplied from the hydrodesulfurizer. A recycle channel for recycling a part of the hydrogen-containing gas discharged from the reformer and supplying it to the hydrodesulfurizer, and a hydrogen-containing gas before flowing into the recycle channel And a gas-liquid separator that cools at least one of the hydrogen-containing gas after flowing into the recycle channel and condenses and separates moisture in the hydrogen-containing gas, and a hydrogen-containing gas supply amount to the reformer A gas supply amount ratio adjuster for adjusting a ratio of an oxygen-containing gas supply amount to the reformer, and a hydrogen to the reformer when the temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-liquid separator decreases. For gas supply As the ratio of the oxygen-containing gas supply amount to Kiaratame reformer is increased, and a controller for controlling the gas supply amount ratio regulator.
本発明の燃料電池システムの一態様(aspect)は、上記水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える。 One aspect (aspect) of the fuel cell system of the present invention includes the hydrogen generation device and a fuel cell that generates electric power using a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generation device.
本発明の一態様によれば、水素生成装置及びこれを備える燃料電池システムにおいて、水添脱硫器へとリサイクルされる水素含有ガスの温度変動がもたらす悪影響を低減することができるという効果を奏する。 According to one aspect of the present invention, in a hydrogen generator and a fuel cell system including the same, an adverse effect caused by temperature fluctuations of the hydrogen-containing gas recycled to the hydrodesulfurizer can be reduced.
従来の水素生成装置では、気液分離器を通過した後の冷却温度が変動すると、気液分離器を通過した後のリサイクルガスに含まれる水蒸気の量が変動し、改質器への水蒸気供給量も変動するが、その影響について検討されていなかった。 In the conventional hydrogen generator, when the cooling temperature after passing through the gas-liquid separator fluctuates, the amount of steam contained in the recycle gas after passing through the gas-liquid separator fluctuates, and the steam supply to the reformer The amount also fluctuated, but the effect was not studied.
例えば、改質器で生成される水素含有ガスの一部を分岐したリサイクルガスを冷媒で冷却して、リサイクルガス中の水分を凝縮分離してから水添脱硫器へ供給する場合、凝縮分離された水は改質器へ戻らない。そのため、例えば外気温の低下に伴い冷媒の温度が低下すると、冷媒で冷却された後のリサイクルガスの温度が低くなり、リサイクルガス中の水蒸気量が低下し、改質器内のガスのO/Cが低くなってしまう。その結果、改質触媒上での炭素が析出する可能性が高まる、という課題があった。 For example, when the recycle gas, which is a part of the hydrogen-containing gas produced by the reformer, is cooled with a refrigerant and the moisture in the recycle gas is condensed and separated and then supplied to the hydrodesulfurizer, it is condensed and separated. Water does not return to the reformer. Therefore, for example, when the temperature of the refrigerant decreases with a decrease in the outside air temperature, the temperature of the recycle gas after being cooled with the refrigerant decreases, the amount of water vapor in the recycle gas decreases, and the O / O of the gas in the reformer decreases. C becomes low. As a result, there is a problem that the possibility of carbon deposition on the reforming catalyst is increased.
ここで、O/CとはOxygen/Carbonの略号であり、改質器に供給されるガス全体に含まれる酸素原子数(モル)の、炭素原子数(モル)に対する割合である。O/Cは、炭素が析出する可能性の指標の一つとして一般的に用いられる。 Here, O / C is an abbreviation for Oxygen / Carbon, and is the ratio of the number of oxygen atoms (mol) contained in the entire gas supplied to the reformer to the number of carbon atoms (mol). O / C is generally used as one of the indicators of the possibility of carbon deposition.
上記のような問題への対処法として、外気温度の変動に伴うリサイクルガス中の水蒸気量の変動を受けない程度に、通常運転時における水供給量を予め過剰にしておくことも考えられる。しかしながら、過剰な水を水蒸気に転換して改質器に供給することから、エネルギー効率が低下するという課題がある。 As a method for dealing with the above problems, it is conceivable that the water supply amount during normal operation is excessively increased in advance so that the amount of water vapor in the recycle gas is not affected by the change in the outside air temperature. However, since excessive water is converted into steam and supplied to the reformer, there is a problem that energy efficiency is lowered.
そこで本発明者らは、気液分離器を通過した後のリサイクルガスの温度に応じて、O/Cの変動が低減されるようにガスの供給量比を調整することに想到した。具体的には、例えば、冷却された後のリサイクルガスの温度が低下すると、改質器への水素含有ガスの供給量に対する改質器への酸素含有ガスの供給量の比を増加させる。すなわち、改質器への原料供給量を基準として、水素含有ガスの供給量および酸素含有ガスの供給量の比を調整することで、O/Cの変動を低減できる。 Therefore, the present inventors have come up with the idea of adjusting the gas supply ratio so that the fluctuation of O / C is reduced according to the temperature of the recycle gas after passing through the gas-liquid separator. Specifically, for example, when the temperature of the recycle gas after being cooled is decreased, the ratio of the supply amount of the oxygen-containing gas to the reformer with respect to the supply amount of the hydrogen-containing gas to the reformer is increased. That is, O / C fluctuations can be reduced by adjusting the ratio of the hydrogen-containing gas supply amount and the oxygen-containing gas supply amount based on the raw material supply amount to the reformer.
より具体的には、例えば、改質器への原料供給量を基準として、リサイクルガス(水素含有ガス)の改質器への供給量を減らすこと、水蒸気(酸素含有ガスの一種)の改質器への供給量を増加させること、空気(酸素含有ガスの一種)の改質器への供給量を増加させること等が考えられる。 More specifically, for example, reducing the supply amount of recycle gas (hydrogen-containing gas) to the reformer, reforming steam (a type of oxygen-containing gas), based on the raw material supply amount to the reformer It is conceivable to increase the supply amount to the reformer, to increase the supply amount of air (a kind of oxygen-containing gas) to the reformer.
かかる構成では、水添脱硫器へとリサイクルされるガスの温度が低下して本来であればO/Cが低下するはずのところ、ガスの供給量比を調整することでO/Cが低下しにくくなるため、改質触媒上での炭素が析出する可能性を低減できる。 In such a configuration, the temperature of the gas recycled to the hydrodesulfurizer should decrease and the O / C should decrease if it was originally, but the O / C would decrease by adjusting the gas supply ratio. Since it becomes difficult, the possibility that carbon on the reforming catalyst is deposited can be reduced.
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
以下で説明する実施形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、あくまで一例であり、本発明を限定するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したものである。また、製造方法においては、必要に応じて、各工程の順序等を変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。 Each of the embodiments described below shows a specific example of the present invention. Numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of components, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and do not limit the present invention. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept of the present invention are described as optional constituent elements. In the drawings, the same reference numerals are sometimes omitted. Further, the drawings schematically show each component for easy understanding. Moreover, in a manufacturing method, the order of each process etc. can be changed as needed, and another well-known process can be added.
(第1実施形態)
第1実施形態の水素生成装置の運転方法は、水添脱硫器により、原料中の硫黄化合物を除去するステップと、改質器により、水蒸気及び水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成するステップと、水素含有ガスの一部をリサイクルして水添脱硫器に供給するための流路をリサイクル流路とするとき、リサイクル流路に流入する前の水素含有ガス及びリサイクル流路に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方が冷却されて、水素含有ガス中から生成した凝縮水を気液分離するステップと、気液分離するステップを経た水素含有ガスの温度が低下すると、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップ及び水素含有ガスのうちリサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を低下させるステップの少なくともいずれか一つと、を備える。
(First embodiment)
The operation method of the hydrogen generator according to the first embodiment includes a step of removing sulfur compounds in a raw material with a hydrodesulfurizer, and a hydrogen gas using a steam and a raw material supplied from the hydrodesulfurizer with a reformer. The step of generating the containing gas and the hydrogen containing gas before flowing into the recycling passage when the passage for recycling a part of the hydrogen containing gas and supplying it to the hydrodesulfurizer is used as the recycling passage. At least one of the hydrogen-containing gas after flowing into the flow path is cooled, and the temperature of the hydrogen-containing gas that has undergone the gas-liquid separation of the condensed water generated from the hydrogen-containing gas and the step of gas-liquid separation is determined. If it decreases, the step of increasing the ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the reformer with respect to the raw material supply amount to the reformer and the ratio of the hydrogen-containing gas flowing into the recycle flow path among the hydrogen-containing gas And a at least one of steps be reduced.
かかる構成では、水添脱硫器へとリサイクルされる水素含有ガスの温度変動がもたらす悪影響を低減することができる。 With such a configuration, it is possible to reduce adverse effects caused by temperature fluctuations of the hydrogen-containing gas recycled to the hydrodesulfurizer.
上記運転方法において、改質器への原料供給量に対する酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップは、改質器への原料供給量に対する改質器への水蒸気供給量の比率を増加させるステップであってもよい。 In the above operation method, the step of increasing the ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the raw material supply amount to the reformer is a step of increasing the ratio of the steam supply amount to the reformer with respect to the raw material supply amount to the reformer. It may be.
上記運転方法において、改質器への原料供給量に対する酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップは、改質器への原料供給量に対する改質器への改質用空気供給量を増加させるステップであってもよい。 In the above operation method, the step of increasing the ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the raw material supply amount to the reformer increases the reforming air supply amount to the reformer with respect to the raw material supply amount to the reformer. It may be a step.
上記運転方法において、改質器への原料供給量に対する酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップは、改質器への原料供給量に対するリサイクル流路を介した改質器への水素含有ガス供給量を低下させるステップであってもよい。 In the above operation method, the step of increasing the ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the raw material supply amount to the reformer is the step of increasing the hydrogen-containing gas to the reformer via the recycle channel with respect to the raw material supply amount to the reformer. It may be a step of reducing the supply amount.
第1実施形態の水素生成装置は、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水蒸気及び水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、改質器から排出される水素含有ガスの一部をリサイクルして水添脱硫器に供給するためのリサイクル流路と、リサイクル流路に流入する前の水素含有ガス及びリサイクル流路に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方を冷却し、水素含有ガス中の水分を凝縮分離する気液分離器と、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率及び水素含有ガスのうちリサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率の少なくともいずれか一方を調整するガス供給量比調整器と、気液分離器を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させること及び水素含有ガスのうちリサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を低下させることの少なくともいずれか一方を実行するよう、ガス供給量比調整器を制御する制御器と、を備える。 The hydrogen generator of the first embodiment includes a hydrodesulfurizer that removes sulfur compounds in a raw material, a reformer that generates hydrogen-containing gas using steam and a raw material supplied from the hydrodesulfurizer, and a reformer. Recycle channel for recycling a part of the hydrogen-containing gas discharged from the gasifier and supplying it to the hydrodesulfurizer, hydrogen-containing gas before flowing into the recycle channel, and after flowing into the recycle channel A gas-liquid separator that cools at least one of the hydrogen-containing gas and condenses and separates moisture in the hydrogen-containing gas; and a ratio of an oxygen-containing gas supply amount to the reformer with respect to a raw material supply amount to the reformer; When the temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-liquid separator and the gas supply amount ratio regulator that adjusts at least one of the ratio of the hydrogen-containing gas flowing into the recycling flow path among the hydrogen-containing gas, Raw material to reformer Executing at least one of increasing the ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the reformer with respect to the supply amount and decreasing the ratio of the hydrogen-containing gas flowing into the recycle flow path among the hydrogen-containing gas, And a controller for controlling the gas supply amount ratio adjuster.
かかる構成では、水添脱硫器へとリサイクルされる水素含有ガスの温度変動がもたらす悪影響を低減することができる。 With such a configuration, it is possible to reduce adverse effects caused by temperature fluctuations of the hydrogen-containing gas recycled to the hydrodesulfurizer.
上記水素生成装置において、ガス供給量比調整器は、改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器を含み、制御器は、改質器への水蒸気供給量を増加させることで、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるように構成されていてもよい。 In the hydrogen generation apparatus, the gas supply amount ratio adjuster includes a water vapor supply device that supplies water vapor to the reformer, and the controller increases the water vapor supply amount to the reformer, thereby supplying the reformer to the reformer. The ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the reformer relative to the raw material supply amount may be increased.
上記水素生成装置において、ガス供給量比調整器は、改質器に空気を供給する空気供給器を含み、制御器は、改質器への空気供給量を増加させることで、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるように構成されていてもよい。 In the hydrogen generation apparatus, the gas supply amount ratio adjuster includes an air supply device that supplies air to the reformer, and the controller increases the air supply amount to the reformer, thereby supplying the reformer to the reformer. The ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the reformer relative to the raw material supply amount may be increased.
上記水素生成装置において、ガス供給量比調整器は、リサイクル流路を介した改質器への水素含有ガス供給量を調整する流量調整器を含み、制御器は、リサイクル流路を介した改質器への水素含有ガス供給量を低下させることで、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるように構成されていてもよい。 In the hydrogen generation apparatus, the gas supply amount ratio adjuster includes a flow rate adjuster that adjusts the supply amount of the hydrogen-containing gas to the reformer via the recycle flow path, and the controller is modified via the recycle flow path. The ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the reformer with respect to the raw material supply amount to the reformer may be increased by reducing the hydrogen-containing gas supply amount to the quality device.
図1は、第1実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図1を参照しつつ、第1実施形態の水素生成装置100について説明する。
FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a schematic configuration of a hydrogen generator according to the first embodiment. Hereinafter, the
図1に示す例において、水素生成装置100は、水添脱硫器2と、改質器4と、リサイクル流路6と、気液分離器8と、ガス供給量比調整器10と、制御器12とを備えている。
In the example shown in FIG. 1, the
水添脱硫器2は、原料中の硫黄化合物を除去する。より具体的には、水添脱硫器2は、原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去する。水素は、例えば、改質器4から排出される水素含有ガスに含まれる水素を利用しうる。具体的には、例えば、改質器4から排出された水素含有ガスが、改質器4に接続された水素含有ガス流路から分岐するリサイクル流路6を経由して、原料供給路へと供給されてもよい。原料供給路は、水添脱硫器2に原料を供給する流路である。
The
原料は、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、LPGなどの少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むガス、灯油、及びメタノール、エタノール等のアルコールとすることができる。都市ガスとは、ガス会社からガスインフラを通じて各家庭などに供給されるガスをいう。 The raw material can be, for example, city gas containing methane as a main component, natural gas, gas containing an organic compound containing carbon and hydrogen as constituent elements, such as LPG, kerosene, and alcohol such as methanol and ethanol. City gas is gas supplied from gas companies to households through gas infrastructure.
硫黄化合物は、付臭成分として人為的に原料へ添加されるものであってもよいし、原料自体に由来する天然の硫黄化合物であってもよい。具体的には、ターシャリブチルメルカプタン(TBM:tertiary-butylmercaptan)、ジメチルスルフィド(DMS:dimethyl sulfide)、テトラヒドロチオフェン(THT:tetrahydrothiophene)、硫化カルボニル(COS:carbonyl sulfide)、硫化水素(hydrogen sulfide)等が例示される。 The sulfur compound may be artificially added to the raw material as an odorant component, or may be a natural sulfur compound derived from the raw material itself. Specifically, tertiary-butylmercaptan (TBM), dimethyl sulfide (DMS), tetrahydrothiophene (THT), carbonyl sulfide (COS), hydrogen sulfide, etc. Is exemplified.
水添脱硫器2には、水添脱硫剤が充填されている。水添脱硫剤としては、例えば、水添反応により硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するCuZn系触媒(例えば、Cu−Zn−Ni系触媒、及び、Cu−Zn−Fe系触媒等)を用いることができる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するCoMo系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるZnO系触媒及びCuZn系触媒の少なくともいずれか一方とで構成してもよい。
The
水添脱硫剤は、常温よりも高い所定の温度まで加熱されて用いられてもよい。上記所定の温度は、水添脱硫に必要な温度として定義され、例えば、摂氏200〜300度であってもよい。なお、水添脱硫器2の加熱方法としては、水添脱硫器2へ流入するガスを加熱することにより、流入ガス温度を調整する構成としてもよい。
The hydrodesulfurization agent may be used after being heated to a predetermined temperature higher than normal temperature. The predetermined temperature is defined as a temperature necessary for hydrodesulfurization, and may be, for example, 200 to 300 degrees Celsius. In addition, as a heating method of the
水添脱硫器2を加熱して、水添脱硫器2の内部の反応温度を調整する構成としてもよい。
The
改質器4は、水蒸気及び水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成する。改質器4で進行する改質反応は、例えば、水蒸気改質反応(SR)、酸化的水蒸気改質反応(OSR)等が挙げられる。図1には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられてもよい。
The
改質器4には、内部に改質触媒が配設されている。この改質触媒によって、改質反応が進行し、原料及び水から水素含有ガスを生成することができる。改質反応に要する熱は例えば燃焼器(図示せず)から供給されてもよい。改質触媒には、一般的に、Pt、Ru、Rh等の貴金属系触媒及びNiからなる群の中から選択される少なくとも1種が好適に用いられる。本実施の形態の水素生成装置では、Ruを含む改質触媒が用いられる。白金及びルテニウムの少なくともいずれか一方を含浸したアルミナ担体を用いてもよい。改質器4が水蒸気供給器の蒸発器を内蔵する構成であってもよい。
A reforming catalyst is disposed inside the
リサイクル流路6は、改質器4から排出される水素含有ガスの一部をリサイクルして水添脱硫器2に供給するための流路である。水素生成装置100が外部に水素含有ガスを供給する水素含有ガス流路と、リサイクル流路6との間の分流比は、例えば、両流路の配管径で調整してもよいし、少なくともいずれか一方の流路に流量調整弁を設置して調整してもよい。
The recycle flow path 6 is a flow path for recycling a part of the hydrogen-containing gas discharged from the
気液分離器8では、リサイクル流路6に流入する前の水素含有ガス及びリサイクル流路6に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方が冷却され、水素含有ガスから生じた凝縮水と水素含有ガスとが分離される。なお、水素含有ガスを冷却する構成としては、リサイクル流路6が自然冷却される構成であってもよい。また、冷媒によりリサイクル流路6内の水素含有ガスを冷却する冷却器を用いる構成であってよい。冷媒としては、例えば、筐体内の空気、外部から取り込んだ空気、貯湯タンク内の水等を用いることができる。気液分離器8で生成された液体の水は、水素生成装置100の外部へと排出されてもよい。図では、気液分離器8がリサイクル流路6に設けられているが、気液分離器8は、リサイクル流路6が分岐する分岐部よりも上流側の水素含有ガス流路に設けられていてもよい。
In the gas-
気液分離器8から排出された水素含有ガスは、リサイクル流路6と原料供給路との合流部において、原料と合流して、水添脱硫器2へと供給される。
The hydrogen-containing gas discharged from the gas-
ガス供給量比調整器10は、改質器4への原料供給量に対する改質器4への酸素含有ガス供給量の比率及び水素含有ガスのうちリサイクル流路6に流入する水素含有ガスの比率の少なくともいずれか一方を調整する。改質器4への水素含有ガス供給量は、水添脱硫器2への供給される水素含有ガスの量である。水素含有ガスは、水添脱硫器2を介して改質器4へと供給される。
The gas supply
ここでいう水素含有ガスは、リサイクルガス(リサイクル流路6を経由して改質器4へ供給される水素含有ガス、以下「リサイクルガス」という)である。リサイクルガスには、改質器4での改質反応に由来する一酸化炭素、二酸化炭素、及び未改質の原料などが含まれており、これに炭素原子が含まれている。
The hydrogen-containing gas here is a recycle gas (hydrogen-containing gas supplied to the
「水素含有ガスのうちリサイクル流路6に流入する水素含有ガスの比率」とは、いわゆる分流比をいい、例えば、改質器4により生成される水素含有ガスの全量に対する、リサイクル流路6に流入する水素含有ガスの割合とすることができる。
The “ratio of the hydrogen-containing gas flowing into the recycle flow path 6 out of the hydrogen-containing gas” refers to a so-called diversion ratio. For example, the recycle flow path 6 with respect to the total amount of the hydrogen-containing gas generated by the
酸素含有ガスは、改質器に供給される水蒸気及び空気の少なくともいずれか一方のガスである。酸素含有ガスには、酸素原子が含まれているものの、炭素原子は実質的には含まれていない。 The oxygen-containing gas is at least one of water vapor and air supplied to the reformer. The oxygen-containing gas contains oxygen atoms but does not substantially contain carbon atoms.
水素含有ガスと酸素含有ガスとではO/Cが大きく異なる。原料供給量に対する酸素含有ガス供給量の比率を調整することで、あるいは、水素含有ガスのうちリサイクル流路6に流入する水素含有ガスの比率を調整することで、改質器4に供給されるガスのO/Cを制御することができる。酸素含有ガスが純粋な水蒸気である場合、酸素含有ガスのO/Cは計算不能(無限大)となるが、水蒸気を増減することは改質器に供給される酸素を増減することになるから、水蒸気供給量の比率を調整することで、改質器でのO/Cを制御することができる。
O / C differs greatly between hydrogen-containing gas and oxygen-containing gas. It is supplied to the
ガス供給量比調整器10としては、具体的には例えば、水蒸気供給量を調整可能な水蒸気供給器、改質用空気供給量を調整可能な改質用空気供給器、及び、リサイクルガス供給量を調整可能な流量調整器等が挙げられる。
Specifically, as the gas supply
制御器12は、気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、改質器4への原料供給量に対する改質器4への酸素含有ガス供給量の比率を増加させること及び水素含有ガスのうちリサイクル流路6に流入する水素含有ガスの比率を低下させることの少なくともいずれか一方を実行するよう、ガス供給量比調整器10を制御する。
When the temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-
制御器12は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備える。演算処理部としては、MPU、CPUが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
The
気液分離器8を通過した水素含有ガスの温度が低下すると、水素含有ガスの露点が下がり、水素含有ガスに含まれる水分量が低下する。その結果、水蒸気に対してCO、CO2及び未改質の原料の濃度が上昇し、水素含有ガスのO/Cは低下する。O/Cの低下を放置すると、改質器4に供給されるガス全体のO/Cが低下し、炭素が析出する可能性が高まる。O/Cが低下するということは、C原子の量がO原子の量に対して増加して、炭素が過剰になりやすくなるからと考えられる。
When the temperature of the hydrogen-containing gas that has passed through the gas-
気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度は、これを検知する検知器(図示せず)により検知される。この検知器は、気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度を直接検知する検知器であってもよいし、間接的に検知する検知器であってもよい。気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度を間接的に検知する検知器は、水素含有ガスの冷却にリサイクル流路6を自然冷却する構成を採用している場合、筐体内または筐体外の空気温度を検知する検知器であってもよい。また、水素含有ガスの冷却に冷媒によりリサイクル流路6内の水素含有ガスを冷却する冷却器を採用している場合、気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度を間接的に検知する検知器は、冷媒の温度を検知する検知器であってもよい。また、上記空気温度または冷媒温度と相関する時間を計測する検知器であってもよい。例えば、空気または水の温度は、日時に相関して変動するので、これを計測する検知器を、気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度を間接的に検知する検知器として用いてもよい。なお、温度または時間を検知する検知器の具体的な構成は特に限定されない。
The temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-
本実施形態の構成によれば、冷却後の水素含有ガスの温度が低下した場合に、原料供給量に対する酸素含有ガス供給量の比率を増加させることにより、あるいは、水素含有ガスのうちリサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を低下させることにより、改質器4でのO/Cの低下を緩和し、炭素が析出する可能性を低減することができる。
According to the configuration of the present embodiment, when the temperature of the hydrogen-containing gas after cooling is decreased, the ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the raw material supply amount is increased, or among the hydrogen-containing gas, the recycle flow path By reducing the ratio of the hydrogen-containing gas flowing into the reactor, it is possible to mitigate the decrease in O / C in the
(第1実施例)
図2は、第1実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図2を参照しつつ、第1実施例の水素生成装置110について説明する。
(First embodiment)
FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of a schematic configuration of the hydrogen generator according to the first embodiment. Hereinafter, the hydrogen generator 110 of the first embodiment will be described with reference to FIG.
図2に示す例において、水素生成装置110は、水添脱硫器22と、改質器24と、リサイクルガス流路26と、気液分離器28と、温度検知器30と、原料供給路34と、水蒸気供給器36と、制御器38と、水蒸気供給路40と水素含有ガス流路42とを備えている。
In the example shown in FIG. 2, the hydrogen generator 110 includes a
水添脱硫器22と、改質器24とは、それぞれ、第1実施形態の水素生成装置100が備える水添脱硫器2と、改質器4と同様の構成とすることができるので、詳細な説明は省略する。
The
リサイクルガス流路26は、水素含有ガス流路42から分岐し、気液分離器8の代わりに気液分離器28が設けられ、その下流に温度検知器30が設けられ、さらにその下流から凝縮水流路32が分岐している点を除けば、リサイクル流路6と同様の構成とすることができる。
The recycle gas flow path 26 branches off from the hydrogen-containing gas flow path 42, a gas /
気液分離器28は、生成された液体の水を、リサイクルガス流路26から分岐する凝縮水流路32を介して排出する点を除けば、気液分離器8と同様の構成とすることができる。
The gas-
温度検知器30は、気液分離器28を通過した後の水素含有ガスの温度を検知する。温度検知器30の具体的な構成は特に限定されない。温度検知器30は、例えば、気液分離器28を通過した後の水素含有ガスの温度を直接検知してもよいし、気液分離器28が冷却に用いる冷媒の温度を検知することで、気液分離器28を通過した後の水素含有ガスの温度を間接的に検知してもよい。
The
凝縮水流路32は、リサイクルガス流路26から分岐し、気液分離器28で生成された液体の水を水素生成装置110の外部へと排出する流路である。
The condensed water channel 32 is a channel that branches from the recycle gas channel 26 and discharges the liquid water generated by the gas-
原料供給路34は、原料を改質器24に供給する流路である。原料供給路34は水添脱硫器22の上流側において、リサイクルガス流路26の下流端が接続されている。かかる構成により、リサイクルガスは原料と混合されて水添脱硫器22へと供給される。
The raw material supply path 34 is a flow path for supplying the raw material to the
図示していないが、原料供給路34に、原料流量調整器が設けられていてもよい。原料流量調整器としては、ダイアフラムポンプなどの流体搬送装置を用いてもよいし、ニードル弁等の流量調整弁を用いてもよい。 Although not shown, a raw material flow rate adjuster may be provided in the raw material supply path 34. As the raw material flow rate adjuster, a fluid transfer device such as a diaphragm pump may be used, or a flow rate adjusting valve such as a needle valve may be used.
水蒸気供給器36は、液体の水から水蒸気を生成し、水蒸気供給路40を介して改質器24へと水蒸気を供給する。水蒸気供給器36に供給される液体の水は、水素生成装置110の外部から供給されてもよいし、例えば気液分離器28から凝縮水流路32を通じて排出される液体の水であってもよい。
The
水蒸気供給器36は、水蒸気を生成する蒸発器と蒸発器に水を供給する水供給器とを備える。水供給器としては、例えば、ギアポンプおよびプランジャポンプ等の容量式ポンプを用いてもよい。蒸発器は、例えば、電気ヒータ、燃焼器からの燃焼ガス等で加熱される構成であってもよい。
The water
水蒸気供給器36は、改質器24への水蒸気供給量を調整できるように構成されている。具体的には、蒸発器に供給される熱量及び液体の水の少なくともいずれか一方を制御してもよいし、流量調整弁等により、蒸発器で発生した水蒸気を改質器24へ送る量を制御してもよい。
The
制御器38は、気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、改質器4への原料供給量に対する改質器4への酸素含有ガス供給量の比率が増加するよう、水蒸気供給器36を制御する。すなわち第1実施例において、水蒸気供給器36は、第1実施形態のガス供給量比調整器10に相当する。第1実施例における酸素含有ガスは水蒸気を含む。
When the temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-
制御器38は、気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、改質器24への原料供給量に対する改質器24への水蒸気供給量が増加するように、水蒸気供給器36を制御する。このとき、改質器24への原料供給量は一定でもよい。
When the temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-
例えば、水素生成装置110が水素含有ガスを供給する水素利用機器において水素の必要量が増加して、改質器24への原料供給量が増加する場合には、改質器24への原料供給量が増加する程度以上に、改質器24への水蒸気供給量を増加させてもよい。
For example, when the required amount of hydrogen increases in the hydrogen utilization device that supplies the hydrogen-containing gas from the hydrogen generator 110 and the amount of raw material supplied to the
例えば、水素生成装置110が水素含有ガスを供給する水素利用機器において水素の必要量が減少して、改質器24への原料供給量が減少する場合には、改質器24への原料供給量が減少する分だけ、改質器24への水蒸気供給量を増加させる程度が小さくなってもよい。
For example, when the hydrogen generation apparatus 110 supplies hydrogen-containing gas and the required amount of hydrogen decreases in the hydrogen utilization device, the raw material supply amount to the
すなわち、「改質器24への原料供給量に対する改質器24への水蒸気供給量が増加する」とは、改質器24への原料供給量に対して相対的に水蒸気供給量を増加させることをいう。したがって、改質器24への原料供給量が少なくなる場合には、改質器24への原料供給量に対して相対的に水蒸気供給量が増加するなら、水蒸気供給量を増加させなくてもよいし、減少させてもよい。
That is, “the amount of steam supplied to the
以上の点を除けば、制御器38は、第1実施形態の制御器12と同様の構成とすることができる。
Except for the above points, the
図3は、気液分離器28を通過した後のリサイクルガスの温度と改質水流量との関係の一例を示す図である。改質水流量とは、蒸発器に供給される水の量であり、水蒸気供給器36から改質器24へ供給される水蒸気の供給量に比例する。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
図に示すように、気液分離器28を通過した後のリサイクルガスの温度が低くなるにつれて、改質器24でのO/Cの低下を抑制するために改質水流量は増加する。逆に言えば、気液分離器28を通過した後のリサイクルガスの温度が低くなっても、改質水流量を増加させることで、すなわち水蒸気供給器36から改質器24へ供給される水蒸気の量を増やすことで、改質器24の内部のO/Cの低下を抑制することができる。
As shown in the figure, as the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
本実施例においても、第1実施形態と同様の変形が可能である。 Also in the present embodiment, the same modifications as in the first embodiment are possible.
(第1実施例におけるシミュレーション例)
[実施例]
図2の構成において、第1実施例に基づいて運転を行った場合のシミュレーション結果、すなわちシステム各部および全体の物質とエネルギーバランス計算から求まる各流体の温度および流量について説明する。
(Example of simulation in the first embodiment)
[Example]
In the configuration of FIG. 2, the simulation result when the operation is performed based on the first embodiment, that is, the temperature and flow rate of each fluid obtained from the calculation of each part of the system and the entire substance and energy balance will be described.
本実施例においては、温度検知器30で検知された、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度に基づいて、制御器38からの指示により、改質水供給流量を制御する。
In the present embodiment, the reforming water supply flow rate is controlled by an instruction from the
改質水流量は、図3に示すような、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度と改質水流量の相関式を用いて、水蒸気供給器36により制御される。
The reforming water flow rate is controlled by the
なお、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度とO/Cの設定値との相関式を用いて制御してもよい。本実施例においては、予め設定した改質器24でのO/Cを2.50としている。
The control may be performed using a correlation formula between the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏40度から摂氏5度に変化すると、改質器24でのO/Cを、予め設定したO/Cである2.50に維持するために、制御器38からの指示によって、改質器24への水蒸気供給量が6.36SLMとなるよう蒸発器への改質水供給量を変更する。
When the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
この場合、水蒸気供給路40へ供給される改質水流量と原料供給路34へ供給される原料の組成および流量から計算されるO/Cの設定値は2.69となる。
In this case, the set value of O / C calculated from the flow rate of reforming water supplied to the water
ここで、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏5度の場合、冷却により、水素含有ガス中の水蒸気0.45SLMが凝縮分離され、凝縮水流路15へと排出される。
Here, when the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
凝縮水が分離された水素含有ガス0.64SLMは、原料供給路34へと供給され、燃料と合流して水添脱硫器22へと供給される。
The hydrogen-containing gas 0.64 SLM from which the condensed water has been separated is supplied to the raw material supply path 34, joined with the fuel, and supplied to the
ここで、リサイクルガス組成は、CH4:H2:H2O:CO:CO2が24.1:58.4:0.9:2.3:14.3の比率(モル比)で構成される。 Here, the recycle gas composition is composed of CH 4 : H 2 : H 2 O: CO: CO 2 in a ratio (molar ratio) of 24.1: 58.4: 0.9: 2.3: 14.3. Is done.
原料供給路34から供給された2.03SLMの都市ガスは、リサイクルガス流路26から供給されるリサイクルガス0.64SLMと合流して、水添脱硫器22へと供給される。
The 2.03 SLM city gas supplied from the raw material supply path 34 is combined with the recycle gas 0.64 SLM supplied from the recycle gas path 26 and supplied to the
ここで、リサイクルガス流路26から原料供給路34へ合流するリサイクルガスのO/Cは0.78であるため、改質器2において合流後ガスのO/Cは2.50となる。
Here, since the O / C of the recycle gas that merges from the recycle gas flow path 26 to the raw material supply path 34 is 0.78, the O / C of the merged gas in the
上述のように、温度検知器30で検知された、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度に基づいて、改質水供給流量を制御することにより、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏5度に変化した場合においても、改質器2におけるO/Cを、予め設定した2.50のまま一定に保持することができる。そのため、外気温度や冷却水温度が低下した場合においても、改質器24で炭素が析出する可能性を低減できる。
As described above, the reformed water supply flow rate is controlled based on the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
なお、本実施例においては、改質水流量は、予め用意した、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度と改質水流量の相関式または相関テーブルを用いて制御しているが、例えば、複数の相関式または相関テーブルを作成し、制御に用いる相関式または相関テーブルを月別に変更する、という制御方法であってもよい。
In this embodiment, the reforming water flow rate is controlled by using a correlation equation or a correlation table prepared in advance between the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
[比較例]
図2の構成において、比較例に基づいて運転を行った場合のシミュレーション結果、すなわちシステム各部および全体の物質とエネルギーバランス計算から求まる各流体の温度および流量について説明する。
[Comparative example]
In the configuration of FIG. 2, the simulation results when the operation is performed based on the comparative example, that is, the temperature and flow rate of each fluid obtained from the calculation of each part of the system and the entire material and energy balance will be described.
原料供給路34から供給された2.03SLMの都市ガスは、リサイクルガス流路26から供給されるリサイクルガス0.63SLMと合流して、水添脱硫器22へと供給される。
The 2.03 SLM city gas supplied from the raw material supply path 34 is combined with the recycle gas 0.63 SLM supplied from the recycle gas path 26 and supplied to the
ここで、都市ガス組成は、CH4:C2H6:C3H8:C4H10が88.9:6.8:3.1:1.2の比率(モル比)で構成される。リサイクルガス組成は、CH4:H2:H2O:CO:CO2が25.5:57.2:0.9:2.4:14.0の比率(モル比)で構成される。 Here, the city gas composition is composed of CH 4 : C 2 H 6 : C 3 H 8 : C 4 H 10 in a ratio (molar ratio) of 88.9: 6.8: 3.1: 1.2. The The recycle gas composition is composed of CH 4 : H 2 : H 2 O: CO: CO 2 in a ratio (molar ratio) of 25.5: 57.2: 0.9: 2.4: 14.0.
本比較例において、水添脱硫器22における合流ガス中のH2濃度は13.5%であり、十分に水添脱硫反応を進行させることができる。なお、合流ガス中のH2濃度は、水添脱硫器22で原料ガスから硫黄が除去できる濃度であればよい。
In this comparative example, the H 2 concentration in the combined gas in the
一方、水蒸気供給路40から供給された改質水は、水蒸気供給器36で蒸発され、5.9SLMの水蒸気が改質器24へと供給される。
On the other hand, the reformed water supplied from the
この場合、水蒸気供給路40へ供給される改質水流量と原料供給路34へ供給される原料の組成および流量から計算されるO/Cの設定値は2.50となる。
In this case, the O / C set value calculated from the flow rate of reforming water supplied to the water
ここで、気液分離器8を通過してから原料供給路34へ合流するまでの間のリサイクルガスのO/Cは、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏5度である場合、0.75であるため、改質器24において合流後ガスのO/Cは2.32となる。
Here, the O / C of the recycle gas after passing through the gas-
改質器24において、前述のO/C=2.32の条件で、合流ガス中の炭化水素が水蒸気改質反応により、水素含有ガスへと改質される。
In the
なお、本比較例においては、改質温度が摂氏500度であるが、改質温度はこれに限られたものではなく、例えば摂氏400〜700度の範囲のいずれかの温度であってもよい。 In this comparative example, the reforming temperature is 500 degrees Celsius, but the reforming temperature is not limited to this, and may be any temperature in the range of 400 to 700 degrees Celsius, for example. .
改質器24で生成した水素含有ガスは、CH4:H2:H2O:CO:CO2が15.4:34.5:40.3:1.4:8.4の比率(モル比)で構成され、O/Cは2.32である。
The hydrogen-containing gas generated in the
改質器24で生成した水素含有ガス10.4SLMは、水素含有ガス流路42とリサイクルガス流路26に、90:10の比で分流される。なお、分流比はこれに限られた値である必要はなく、水添脱硫器1での硫黄除去が可能となる分流比であればよい。
The hydrogen-containing gas 10.4 SLM generated by the
リサイクルガス流路26に供給された水素含有ガス1.04SLMは、気液分離器28において、大気放熱により、摂氏5度に冷却される。冷却により、水素含有ガス中の水蒸気0.41SLMが凝縮分離され、凝縮水流路32へと排出される。凝縮水が分離された水素含有ガス0.63SLMは、原料供給路34へと供給され、前述のように燃料と合流して水添脱硫器22へと供給され、前述のように改質器24で水素含有ガスの生成が行われる。
The hydrogen-containing gas 1.04 SLM supplied to the recycle gas flow path 26 is cooled to 5 degrees Celsius in the gas-
上述のように、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏5度の場合、設定O/Cである2.50に対して、改質器24におけるO/Cは、2.32となる。そのため、改質器24での炭素析出のリスクが増大するという課題が生じる。
As described above, when the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
外気温度の低下を見越して、予めO/Cの設定値を過剰に大きくすることもできるが、その場合は、水蒸気を用いる改質反応の場合は、水蒸気生成に必要な熱量が増加し、効率が低下する。部分酸化法の場合は、原料の一部が改質器で酸化されることにより効率が低下するという課題があった。 In anticipation of a decrease in the outside air temperature, the O / C set value can be excessively increased in advance. In this case, however, in the case of a reforming reaction using steam, the amount of heat required for steam generation increases and efficiency increases. Decreases. In the case of the partial oxidation method, there is a problem that the efficiency is lowered by a part of the raw material being oxidized in the reformer.
また、水素含有ガスを燃料電池に供給する場合においては、改質器24でのO/Cの増加によって、以下の課題が生じる。すなわち、酸素含有ガスが水蒸気の場合には、ネルンスト電圧が低下して、スタック電圧が低下して、発電効率が低下する。酸素含有ガスが空気の場合には、改質器で燃料の一部が空気中の酸素で酸化されてしまい、スタックで利用できなくなるため、発電効率が低下する。
In addition, when supplying the hydrogen-containing gas to the fuel cell, the following problems occur due to the increase in O / C in the
(第2実施例)
図4は、第2実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図4を参照しつつ、第2実施例の水素生成装置120について説明する。
(Second embodiment)
FIG. 4 is a block diagram illustrating an example of a schematic configuration of the hydrogen generator according to the second embodiment. Hereinafter, the hydrogen generator 120 of the second embodiment will be described with reference to FIG.
図4に示す例において、水素生成装置120は、流量調整器44を備えている。 In the example shown in FIG. 4, the hydrogen generator 120 includes a flow rate regulator 44.
流量調整器44は、リサイクルガス流路26を介した改質器24への水素含有ガス供給量を調整する。流量調整器44は、例えば、ポンプ及びニードルバルブ等で構成されうる。図4では流量調整器44が気液分離器28の下流側に設けられているが、流量調整器44が気液分離器28の上流側に設けられていてもよい。
The flow rate regulator 44 adjusts the hydrogen-containing gas supply amount to the
制御器38は、気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、水素含有ガスのうちリサイクルガス流路26に流入する水素含有ガスの比率が低下するよう、流量調整器44を制御する。すなわち第2実施例において、流量調整器44は、第1実施形態のガス供給量比調整器10に相当する。
When the temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-
制御器38は、気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、水素含有ガスのうちリサイクルガス流路26に流入する水素含有ガスの比率が低下するように流量調整器44を制御する。水素含有ガスのうちリサイクルガス流路26に流入する水素含有ガスの比率は、水添脱硫器22への水素含有ガスの供給量に関係する。このとき、改質器24への原料供給量は一定でもよい。
When the temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-
例えば、水素生成装置110が水素含有ガスを供給する水素利用機器において水素の必要量が増加して、改質器24への原料供給量が増加する場合には、改質器24への原料供給量が増加する分だけ、改質器24への水素含有ガス供給量を減少させる程度が小さくなってもよい。
For example, when the required amount of hydrogen increases in the hydrogen utilization device that supplies the hydrogen-containing gas from the hydrogen generator 110 and the amount of raw material supplied to the
例えば、水素生成装置110が水素含有ガスを供給する水素利用機器において水素の必要量が減少して、改質器24への原料供給量が減少する場合には、改質器24への原料供給量が減少する分だけ、改質器24への水素含有ガス供給量を増加させてもよい。
For example, when the hydrogen generation apparatus 110 supplies hydrogen-containing gas and the required amount of hydrogen decreases in the hydrogen utilization device, the raw material supply amount to the
すなわち、「水素含有ガスのうちリサイクルガス流路26に流入する水素含有ガスの比率が低下する」とは、改質器24が生成する水素含有ガスの量に対してリサイクルガス流路26に流入する水素含有ガスの量の比率を相対的に低下させることをいう。
That is, “the ratio of the hydrogen-containing gas flowing into the recycle gas passage 26 in the hydrogen-containing gas decreases” means that the amount of hydrogen-containing gas generated by the
以上の点を除けば、制御器38は、第1実施形態の制御器12と同様の構成とすることができる。
Except for the above points, the
また、以上の点を除けば、水素生成装置120は、第1実施例の水素生成装置110と同様の構成とすることができる。よって、図4と図2とで共通する構成要素については同一の符号及び名称を付して詳細な説明を省略する。 In addition, except for the above points, the hydrogen generator 120 can have the same configuration as the hydrogen generator 110 of the first embodiment. Therefore, the same reference numerals and names are used for the same components in FIG. 4 and FIG. 2, and detailed description thereof is omitted.
気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度が低くなっても、改質器24への水素含有ガス供給量を低下させることで、すなわち水蒸気供給器36から改質器24へ供給される水素含有ガスを減少させることで、改質器24の内部のO/Cの低下を抑制することができる。
Even if the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
本実施例においても、第1実施形態と同様の変形が可能である。第1実施例と第2実施例とを組み合わせてもよい。 Also in the present embodiment, the same modifications as in the first embodiment are possible. The first embodiment and the second embodiment may be combined.
(第2実施例におけるシミュレーション例)
図4の構成において、第2実施例に基づいて運転を行った場合のシミュレーション結果、すなわちシステム各部および全体の物質とエネルギーバランス計算から求まる各流体の温度および流量について説明する。気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度は摂氏5度としている。
(Example of simulation in the second embodiment)
In the configuration of FIG. 4, the simulation result when the operation is performed based on the second embodiment, that is, the temperature and flow rate of each fluid obtained from the calculation of each part of the system and the entire material and energy balance will be described. The temperature of the recycled gas after passing through the gas-
温度検知器30で検知された、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度に基づいて、制御器38からの指示により、リサイクルガス流量を制御する。
Based on the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
ここで、リサイクルガス流量は、予め用意した、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度とリサイクルガス流量の相関式または相関テーブルを用いて、制御器38からの指示により、流量調整器44により制御される。
Here, the flow rate of the recycle gas is adjusted in accordance with an instruction from the
なお、本実施例においては、予め設定した改質器24でのO/Cを2.40としている。
In this embodiment, the preset O / C in the
気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏5度に変化すると、リサイクルガス流量は0.36SLMへと変更される。
When the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
ここで、気液分離器28における冷却により、水素含有ガス中の水蒸気0.25SLMが凝縮分離され、凝縮水流路32へと排出される。
Here, by the cooling in the gas-
ここで、リサイクルガス組成は、CH4:H2:H2O:CO:CO2が24.9:57.7:0.9:2.3:14.2の比率(モル比)で構成される。 Here, the recycle gas composition is composed of CH 4 : H 2 : H 2 O: CO: CO 2 in a ratio (molar ratio) of 24.9: 57.7: 0.9: 2.3: 14.2. Is done.
原料供給路34から供給された2.03SLMの都市ガスは、リサイクルガス流路から供給されるリサイクルガス0.36SLMと合流して、水添脱硫器22へと供給される。
The 2.03 SLM city gas supplied from the raw material supply path 34 merges with the recycle gas 0.36 SLM supplied from the recycle gas path and is supplied to the
ここで、リサイクルガス流路26から原料供給路34へ合流するリサイクルガスのO/Cは0.76であるため、改質器24において合流後ガスのO/Cは2.40となる。
Here, since the O / C of the recycle gas that merges from the recycle gas channel 26 to the raw material supply channel 34 is 0.76, the O / C of the merged gas in the
上述のように、温度検知器30で検知された、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度に基づいて、リサイクルガスの供給量を制御することにより、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏5度に変化した場合においても、改質器24におけるO/Cを2.40のまま一定に保持することができる。そのため、外気温度や冷却水温度が低下した場合においても、改質器24で炭素が析出する可能性を低減できる。
As described above, the recycle gas supply amount is controlled based on the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
なお、本実施例においては、リサイクルガス流量は、予め用意した、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度とリサイクルガス流量の相関式または相関テーブルを用いて制御しているが、例えば、複数の相関式または相関テーブルを作成し、制御に用いる相関式または相関テーブルを月別に変更する、という制御方法であってもよい。
In the present embodiment, the recycle gas flow rate is controlled using a correlation equation or a correlation table of the recycle gas temperature and the recycle gas flow rate after passing through the gas-
(第3実施例)
図5は、第3実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図5を参照しつつ、第3実施例の水素生成装置130について説明する。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a block diagram illustrating an example of a schematic configuration of the hydrogen generator according to the third embodiment. Hereinafter, the hydrogen generator 130 of the third embodiment will be described with reference to FIG.
図5に示す例において、水素生成装置130は、空気供給器46を備えている。
In the example shown in FIG. 5, the hydrogen generator 130 includes an
空気供給器46は、改質器24に空気を供給する。第3実施例において、改質器24は酸化的水蒸気改質(OSR)を進行させる改質器でありうる。空気供給器46は、例えば、ポンプ及びニードルバルブ等で構成されていてもよい。空気供給器46は、改質器24への空気供給量を調整できるように構成されている。
The
制御器38は、気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、改質器4への水素含有ガス供給量に対する改質器4への酸素含有ガス供給量の比率が増加するよう、空気供給器46を制御する。すなわち第3実施例において、空気供給器46は、第1実施形態のガス供給量比調整器10に相当する。第3実施例における酸素含有ガスは空気を含む。
When the temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-
制御器38は、気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、改質器24への原料供給量に対する改質器24への空気供給量が増加するように、空気供給器46を制御する。このとき、改質器24への原料供給量は一定でもよい。
When the temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-
例えば、水素生成装置110が水素含有ガスを供給する水素利用機器において水素の必要量が増加して、改質器24への原料供給量が増加する場合には、改質器24への原料供給量が増加する程度以上に、改質器24への空気供給量を増加させてもよい。
For example, when the required amount of hydrogen increases in the hydrogen utilization device that supplies the hydrogen-containing gas from the hydrogen generator 110 and the amount of raw material supplied to the
例えば、水素生成装置110が水素含有ガスを供給する水素利用機器において水素の必要量が減少して、改質器24への原料供給量が減少する場合には、改質器24への原料供給量が減少する分だけ、改質器24への空気供給量を増加させる程度が小さくなってもよい。
For example, when the hydrogen generation apparatus 110 supplies hydrogen-containing gas and the required amount of hydrogen decreases in the hydrogen utilization device, the raw material supply amount to the
すなわち、「改質器への原料供給量に対する改質器への空気供給量が増加する」とは、改質器24への原料供給量に対して相対的に空気供給量を増加させることをいう。したがって、改質器への原料供給量が少なくなる場合には、改質器24への原料供給量に対して相対的に空気供給量が増加するなら、空気供給量を増加させなくてもよいし、減少させてもよい。
That is, “the air supply amount to the reformer increases with respect to the raw material supply amount to the reformer” is to increase the air supply amount relative to the raw material supply amount to the
以上の点を除けば、制御器38は、第1実施形態の制御器12と同様の構成とすることができる。
Except for the above points, the
また、以上の点を除けば、水素生成装置130は、第1実施例の水素生成装置110と同様の構成とすることができる。よって、図5と図2とで共通する構成要素については同一の符号及び名称を付して詳細な説明を省略する。 In addition, except for the above points, the hydrogen generator 130 can have the same configuration as the hydrogen generator 110 of the first embodiment. 5 and FIG. 2 are denoted by the same reference numerals and names, and detailed description thereof is omitted.
気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度が低くなっても、改質器24への空気供給量を増加させることで、すなわち空気供給器46から改質器24へ供給される空気を増加させることで、改質器24の内部のO/Cの低下を抑制することができる。
Even if the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
本実施例においても、第1実施形態と同様の変形が可能である。第1実施例と第3実施例とを組み合わせてもよい。第2実施例と第3実施例とを組み合わせてもよい。第1実施例と第2実施例と第3実施例とを組み合わせてもよい。 Also in the present embodiment, the same modifications as in the first embodiment are possible. The first embodiment and the third embodiment may be combined. The second embodiment and the third embodiment may be combined. The first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment may be combined.
(第3実施例におけるシミュレーション例)
図5の構成において、第3実施例に基づいて運転を行った場合のシミュレーション結果、すなわちシステム各部および全体の物質とエネルギーバランス計算から求まる各流体の温度および流量について説明する。気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度は摂氏5度としている。
(Example of simulation in the third embodiment)
In the configuration of FIG. 5, the simulation result when the operation is performed based on the third embodiment, that is, the temperature and flow rate of each fluid obtained from the calculation of each part of the system and the entire substance and energy balance will be described. The temperature of the recycled gas after passing through the gas-
温度検知器30で検知された、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度に基づいて、制御器38からの指示により、改質器24への空気流量(以下、改質空気流量)を制御する。
Based on the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
ここで、改質空気流量は、予め用意した、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度と改質空気流量の相関式または相関テーブルを用いて、制御器38からの指示により、空気供給器46により制御される。
Here, the reformed air flow rate is prepared in accordance with an instruction from the
なお、本実施例においては、改質器24でのO/Cが2.50となるように制御している。
In this embodiment, the O / C in the
気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏5度に変化すると、リサイクルガス流量は0.73SLMへと変更される。
When the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
ここで、気液分離器28における冷却により、水素含有ガス中の水蒸気0.43SLMが凝縮分離され、凝縮水流路32へと排出される。
Here, by the cooling in the gas-
ここで、リサイクルガス組成は、CH4:H2:H2O:CO:CO2:N2が20.0:50.4:0.9:2.3:13.9:12.6の比率で構成される。 Here, the recycle gas composition is such that CH 4 : H 2 : H 2 O: CO: CO 2 : N 2 is 20.0: 50.4: 0.9: 2.3: 13.9: 12.6. Consists of a ratio.
原料供給路34から供給された2.03SLMの都市ガスは、リサイクルガス流路から供給されるリサイクルガス0.73SLMと合流して、水添脱硫器22へと供給される。
The 2.03 SLM city gas supplied from the raw material supply path 34 joins the recycle gas 0.73 SLM supplied from the recycle gas path, and is supplied to the
ここで、リサイクルガス流路26から原料供給路34へ合流するリサイクルガスのO/Cは0.85であること、および改質空気流量が1.04SLMであるため、改質器24において合流後ガスのO/Cは2.50となる。 Here, the O / C of the recycle gas that merges from the recycle gas flow path 26 to the raw material supply path 34 is 0.85, and the reformed air flow rate is 1.04 SLM. The O / C of the gas is 2.50.
上述のように、温度検知器30で検知された、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度に基づいて、改質空気流量を制御することにより、気液分離器8を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏5度に変化した場合においても、改質器24におけるO/Cを2.50のまま一定に保持することができる。そのため、外気温度や冷却水温度が低下した場合においても、改質器24で炭素が析出する可能性を低減できる。
As described above, the reformed air flow rate is controlled based on the temperature of the recycle gas after passing through the gas-
(第2実施形態)
第2実施形態の水素生成装置の運転方法は、第1実施形態の水素生成装置の運転方法であって、さらに、気液分離するステップを経た水素含有ガスの温度が上昇すると、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率を低下させるステップ、及び水素含有ガスのうちリサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を増加させるステップとの少なくともいずれか一つを備える。
(Second Embodiment)
The operation method of the hydrogen generator of the second embodiment is the operation method of the hydrogen generator of the first embodiment, and further, when the temperature of the hydrogen-containing gas that has undergone the gas-liquid separation step rises, to the reformer At least one of a step of reducing the ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the reformer with respect to the raw material supply amount, and a step of increasing the ratio of the hydrogen-containing gas flowing into the recycle channel among the hydrogen-containing gas Is provided.
第2実施形態の水素生成装置は、第1実施形態の水素生成装置であって、制御器は、気液分離器を通過した後の水素含有ガスの温度が上昇すると、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率が低下すること、及び、水素含有ガスのうちリサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を増加させることの少なくともいずれか一方を実行するよう、ガス供給量比調整器を制御するように構成されている。 The hydrogen generator of the second embodiment is the hydrogen generator of the first embodiment, and when the controller increases the temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-liquid separator, the raw material to the reformer The ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the reformer with respect to the supply amount is decreased, and / or the ratio of the hydrogen-containing gas flowing into the recycle channel among the hydrogen-containing gas is increased. The gas supply amount ratio adjuster is configured to be controlled.
かかる構成では、気液分離器を通過した後の水素含有ガスの温度が上昇しても、改質器への水素含有ガス供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率を低下させない場合に比べ、発電効率をより高く維持することができる。 In such a configuration, even if the temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-liquid separator rises, the ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the reformer with respect to the hydrogen-containing gas supply amount to the reformer is not reduced. Compared to the case, the power generation efficiency can be maintained higher.
本実施形態の水素生成装置のハードウェア構成は、第1実施形態の水素生成装置100と同様とすることができる。よって、図1と共通する構成要素については同一の符号及び名称を付して、図示を省略する。
The hardware configuration of the hydrogen generator of this embodiment can be the same as that of the
本実施形態において、制御器12は、気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度が上昇すると、改質器4への原料供給量に対する改質器4への酸素含有ガス供給量の比率が低下すること、及び、水素含有ガスのうちリサイクル流路6に流入する水素含有ガスの比率を増加させることの少なくともいずれか一方を実行するよう、ガス供給量比調整器10を制御する。
In the present embodiment, when the temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-
具体的には、例えば、第1実施例のように、ガス供給量比調整器10が水蒸気供給器であって、酸素含有ガスが水蒸気である場合には、制御器12は、気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度が上昇すると、改質器4への原料供給量に対する改質器4への水蒸気供給量が減少するように、水蒸気供給器を制御してもよい。
Specifically, for example, as in the first embodiment, when the gas supply
なお、「改質器への原料供給量に対する改質器への水蒸気供給量が減少する」とは、改質器への原料供給量に対して相対的に水蒸気供給量を減少させることをいう。したがって、水素含有ガスの生成量が増える場合には、改質器への原料供給量に対して相対的に水蒸気供給量を減少するなら、水蒸気供給量を減少させてもよいし、水蒸気供給量を増加させてもよい。 Note that “the steam supply amount to the reformer decreases with respect to the raw material supply amount to the reformer” means that the steam supply amount decreases relative to the raw material supply amount to the reformer. . Therefore, when the production amount of the hydrogen-containing gas increases, if the steam supply amount is decreased relative to the raw material supply amount to the reformer, the steam supply amount may be decreased, or the steam supply amount. May be increased.
あるいは例えば、第2実施例のように、ガス供給量比調整器10が流量調整器である場合には、制御器12は、気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度が上昇すると、水素含有ガスのうちリサイクル流路6に流入する水素含有ガスの比率が増加するように、流量調整器を制御してもよい。
Or, for example, when the gas supply
なお、「水素含有ガスのうちリサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率が増加する」とは、改質器が生成する水素含有ガスの量に対してリサイクルガス流路に流入する水素含有ガスの量の比率を相対的に増加させることをいう。したがって、改質器が生成する水素含有ガスの生成量が少なくなる場合には、改質器が生成する水素含有ガスの量に対してリサイクルガス流路を流れる水素含有ガス供給量を相対的に増加するなら、リサイクルガス流路を流れる水素含有ガス供給量を増加させなくてもよいし、減少させてもよい。 “The ratio of the hydrogen-containing gas flowing into the recycle channel among the hydrogen-containing gases increases” means that the hydrogen-containing gas flowing into the recycle gas channel with respect to the amount of hydrogen-containing gas generated by the reformer It means to increase the ratio of the amount of. Therefore, when the amount of hydrogen-containing gas produced by the reformer decreases, the hydrogen-containing gas supply amount flowing through the recycle gas flow path is relatively set with respect to the amount of hydrogen-containing gas produced by the reformer. If it increases, the supply amount of the hydrogen-containing gas flowing through the recycle gas passage may not be increased or may be decreased.
あるいは例えば、第3実施例のように、ガス供給量比調整器10が空気供給器であって、酸素含有ガスが空気である場合には、制御器12は、気液分離器8を通過した後の水素含有ガスの温度が上昇すると、改質器4への原料供給量に対する改質器4への空気供給量が減少するように、水蒸気供給器を制御してもよい。
Alternatively, for example, as in the third embodiment, when the gas supply
なお、「改質器への原料供給量に対する改質器への空気供給量が減少する」とは、改質器への原料供給量に対して相対的に空気供給量を減少させることをいう。したがって、水素含有ガスの生成量が増える場合には、改質器への原料供給量に対して相対的に空気供給量を減少するなら空気供給量を減少させてなくもよいし、増加させてもよい。 Note that “the air supply amount to the reformer decreases with respect to the raw material supply amount to the reformer” means that the air supply amount decreases relative to the raw material supply amount to the reformer. . Therefore, when the amount of hydrogen-containing gas produced increases, the air supply amount may or may not be decreased if the air supply amount is decreased relative to the raw material supply amount to the reformer. Also good.
あるいは上記構成を任意に組み合わせてもよい。 Or you may combine the said structure arbitrarily.
以上の点を除けば、本実施形態の水素生成装置は第1実施形態の水素生成装置100と同様の構成とすることができる。
Except for the above points, the hydrogen generator of this embodiment can have the same configuration as the
本実施形態の水素生成装置によれば、冷却後のリサイクルガスの温度に応じて、改質器4でのO/Cを適切に制御でき、かつ、発電効率をより高く保持することができる。
According to the hydrogen generator of this embodiment, O / C in the
(第3実施形態)
第3実施形態の燃料電池システムは、第1実施形態、第1実施例、第2実施例、第3実施例、第2実施形態及びそれらの変形例のいずれかの水素生成装置と、水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える。
(Third embodiment)
A fuel cell system according to a third embodiment includes a hydrogen generation apparatus according to any one of the first embodiment, the first example, the second example, the third example, the second embodiment, and modifications thereof, and hydrogen generation. And a fuel cell that generates electric power using the hydrogen-containing gas supplied from the apparatus.
かかる構成では、水添脱硫器へとリサイクルされる水素含有ガスの温度変動がもたらす悪影響を低減することができる。 With such a configuration, it is possible to reduce adverse effects caused by temperature fluctuations of the hydrogen-containing gas recycled to the hydrodesulfurizer.
図6は、第3実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図6を参照しつつ、第3実施形態の燃料電池システム200について説明する。 FIG. 6 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a fuel cell system according to the third embodiment. Hereinafter, the fuel cell system 200 of the third embodiment will be described with reference to FIG.
図6に示す例において、燃料電池システム200は、燃料電池20を備えている。燃料電池20は、水素生成装置100から供給される水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池20は、アノードとカソードとを備えており、改質器4からアノードへ供給される水素含有ガスと、カソードへ供給される空気とを用いて発電してもよい。
In the example shown in FIG. 6, the fuel cell system 200 includes a
燃料電池20としては、いずれの種類であってもよく、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、燐酸形燃料電池、及び溶融炭酸塩形燃料電池等が例示される。なお、燃料電池20が固体酸化物形燃料電池の場合は、改質部と燃料電池とが1つの容器内に内蔵されるよう構成される。
The
本実施形態においても、第1実施形態、第1実施例、第2実施例、第3実施例、及び第2実施形態と同様の変形が可能である。 Also in this embodiment, the same modifications as those of the first embodiment, the first example, the second example, the third example, and the second embodiment are possible.
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
本発明の一態様は、水添脱硫器へとリサイクルされる水素含有ガスの温度変動がもたらす悪影響を低減できる水素生成装置及びその運転方法、燃料電池システムとして有用である。 One embodiment of the present invention is useful as a hydrogen generator, an operating method thereof, and a fuel cell system that can reduce adverse effects caused by temperature fluctuations of a hydrogen-containing gas recycled to a hydrodesulfurizer.
2 水添脱硫器
4 改質器
6 リサイクル流路
8 気液分離器
10 ガス供給量比調整器
12 制御器
20 燃料電池
22 水添脱硫器
24 改質器
26 リサイクルガス流路
28 気液分離器
30 温度検知器
32 凝縮水流路
34 原料供給路
36 水蒸気供給器
38 制御器
40 水蒸気供給路
42 水素含有ガス流路
44 流量調整器
46 空気供給器
100 水素生成装置
110 水素生成装置
120 水素生成装置
130 水素生成装置
200 燃料電池システム
2
Claims (9)
改質器により、水蒸気及び前記水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成するステップと、
前記水素含有ガスの一部をリサイクルして水添脱硫器に供給するための流路をリサイクル流路とするとき、前記リサイクル流路に流入する前の水素含有ガス及び前記リサイクル流路に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方が冷却されて、水素含有ガスから生成した凝縮水を気液分離するステップと、
前記気液分離するステップを経た水素含有ガスの温度が低下すると、前記改質器への原料供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップ、及び前記水素含有ガスのうち前記リサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を低下させるステップの少なくともいずれか一つと、を備える、水素生成装置の運転方法。 Removing a sulfur compound in the raw material with a hydrodesulfurizer;
A step of generating a hydrogen-containing gas by using a raw material supplied from steam and the hydrodesulfurizer by a reformer;
When a flow path for recycling a part of the hydrogen-containing gas and supplying it to the hydrodesulfurizer is a recycle flow path, the hydrogen-containing gas before flowing into the recycle flow path and the recycle flow path A step in which at least one of the subsequent hydrogen-containing gas is cooled and the condensed water generated from the hydrogen-containing gas is gas-liquid separated; and
A step of increasing a ratio of an oxygen-containing gas supply amount to the reformer with respect to a raw material supply amount to the reformer when the temperature of the hydrogen-containing gas that has undergone the gas-liquid separation step decreases, and the hydrogen-containing gas And a step of reducing the ratio of the hydrogen-containing gas flowing into the recycle flow path.
水蒸気及び前記水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器から排出される前記水素含有ガスの一部をリサイクルして前記水添脱硫器に供給するためのリサイクル流路と、
前記リサイクル流路に流入する前の水素含有ガス及び前記リサイクル流路に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方を冷却し、水素含有ガス中の水分を凝縮分離する気液分離器と、
前記改質器への原料供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率及び水素含有ガスのうち前記リサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率の少なくともいずれか一方を調整するガス供給量比調整器と、
前記気液分離器を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、前記改質器への原料供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させること及び水素含有ガスのうち前記リサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を低下させることの少なくともいずれか一方を実行するよう、前記ガス供給量比調整器を制御する制御器と、を備える、水素生成装置。 A hydrodesulfurizer that removes sulfur compounds in the raw material;
A reformer that generates hydrogen-containing gas using steam and a raw material supplied from the hydrodesulfurizer;
A recycling flow path for recycling a part of the hydrogen-containing gas discharged from the reformer and supplying it to the hydrodesulfurizer;
A gas-liquid separator that cools at least one of the hydrogen-containing gas before flowing into the recycle channel and the hydrogen-containing gas after flowing into the recycle channel, and condenses and separates moisture in the hydrogen-containing gas;
A gas that adjusts at least one of the ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the reformer relative to the raw material supply amount to the reformer and the ratio of the hydrogen-containing gas flowing into the recycle channel among the hydrogen-containing gas A supply ratio adjuster;
When the temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-liquid separator decreases, the ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the reformer with respect to the raw material supply amount to the reformer is increased, and the hydrogen-containing gas And a controller for controlling the gas supply amount ratio adjuster so as to execute at least one of reducing the ratio of the hydrogen-containing gas flowing into the recycle flow path.
前記制御器は、前記改質器への水蒸気供給量を増加させることで、前記改質器への水素含有ガス供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるように構成されている、
請求項5に記載の水素生成装置。 The gas supply amount ratio adjuster includes a steam supply unit that supplies steam to the reformer,
The controller increases the ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the reformer with respect to the hydrogen-containing gas supply amount to the reformer by increasing the steam supply amount to the reformer. It is configured,
The hydrogen generator according to claim 5.
前記制御器は、前記改質器への空気供給量を増加させることで、前記改質器への水素含有ガス供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるように構成されている、
請求項5に記載の水素生成装置。 The gas supply amount ratio adjuster includes an air supply for supplying air to the reformer,
The controller increases a ratio of an oxygen-containing gas supply amount to the reformer with respect to a hydrogen-containing gas supply amount to the reformer by increasing an air supply amount to the reformer. It is configured,
The hydrogen generator according to claim 5.
請求項5ないし7のいずれかに記載の水素生成装置。 When the temperature of the hydrogen-containing gas after passing through the gas-liquid separator increases, the controller decreases the ratio of the oxygen-containing gas supply amount to the reformer with respect to the raw material supply amount to the reformer. And the gas supply amount ratio adjuster is configured to control at least one of increasing a ratio of the hydrogen-containing gas flowing into the recycling flow path among the hydrogen-containing gas. ing,
The hydrogen generator according to any one of claims 5 to 7.
前記水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える、燃料電池システム。 A hydrogen generator according to any one of claims 5 to 8,
And a fuel cell that generates electricity using the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator.
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